Nghiên cứu xác suất lỗi của hệ thống OFDM ADSL

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------PHẠM TUẤN ANH

NGHIÊN CỨU XÁC SUẤT LỖI CỦA HỆ
THÔNG OFDM - ADSL

Chuyên ngành : ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS ĐÀO NGỌC CHIẾN

Hà Nội – Năm 2011


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của
tôi. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa
được công bố ở bất kỳ công trình nghiên cứu nào.

Tác giả

Phạm Tuấn Anh

1


CÁC TỪ VIẾT TẮT

AMC

Adaptive Modulation and Code

ARQ

Automatic Retransmission Request

ATM

Network Asynchronous Transfer Mode

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CI

CRC Indicator

CID

Connection Identifier

CPE

Customer Premise Equipment

CPS

Common Part Sublayer

CRC

Cyclic Redundancy Checks

CS

Centralized Scheduling

CSMA

Carrier Sense Multiple Access

DES

Data Encryption Standard

DHCP

Dynamic Host Configuration Protocol

DL-MAP

Downlink Map

DL-MAP

Downlink Map

DSL

Digital Subscriber Line

FDD

Frequency Division Multiplexing

FEC

Forward Error Correction

FFT

Fast Fourier Transformation

GMH

Generic Mac Header

IEEE

Institute of Electrical anh Electronics Engineers

ITU

International Telecommunication Union

LEN

Length

LOS

Line Of Sight

MAC

Media Access Control

MAC PDU

MAC Protocol Data Unit

2


MSDU

Mac Service Data Unit

NLOS

Non Line Of Sight

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PDA

Persional Digital Assitant

PDU

Protocol Data Units

PHY

Physical Layer

PMP

Point MultiPoint

16QAM

16-State Quadrature Amplitude Modulation

QoS

Quality of Service

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

SC

Single Carrier

SINR

Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio

SOFDMA

Scalable Orthogonal Frequency Division Multiplexing

SS

Subscriber Station

SSCS

Service-Specific Convergence Sublayer

TDD

Time Division Duplexing

TDMA

Time Division Multiple Access

UGS

Unsolicited Grant Service

UL-MAP

Uplink Map

VoIP

Voice over IP

WiMax

Worldwide Interoperability for Microwave Access

WMAN

Wireless Metropolitan Area Network

ADSL

Asymmetric Digital Subcriber Line

AWGN

Addictive White Gausse Noise

BER

Bit error Rate

BPSK

Binary phase shift keying

BWA

Broadband Wireless Access

3


BS

Base Station

CIR

Channel Impulse Response

CTR

Channel Transfer Function

CP

Cyclic Prefix

CDMA

Code Division Multiple Access

DRM

Digital Radio Mondiale

DSL

Digital Subcriber Line

FFT

fast fourrier transform

FDD

Frequency Division Deplex

GI

Guard Interval

ISI

Inter symbol Interfearence

ICI

Inter Channel Interfearence

IFFT

Inverse fast fourrier transform

LOS

Line of sight

MIMO

Multiple Input Multiple Output

NLOS

Non line of sight

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access

QPSK

Quadrature phase shift keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

SER

Symbol Error Rate

TDD

Time Division Duplex

4


Danh mục các bảng
Bảng 3.1: Các giới hạn trên của tốc độ tải tin
Bảng 3.2: Các kênh tải hổ trợ cho luồng 2Mbit/s
Bảng 3.3: Mối quan hệ giữa cấu trúc kênh song hướng theo các lớp truyền
dẫn kênh đơn hướng
Bảng 3.4 Chức năng của các bit chỉ thị
Bảng 3.5. Vùng đệm mặc định cho các lớp truyền tải (T1)
Bảng 3.6 vùng đệm mặc định cho các lớp truyền tải (E1)

5


Hình 1.1:

Danh mục hình vẽ
Hệ Thống OFDM ban đầu

Hình 1.2:

Hệ thống OFDM sử dụng FFT

Hình 1.3:

Chồng phổ trong OFDM

Hình 1.4.

Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vơ tuyến

Hình 2.1.

Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM

Hình 2.2:

Phổ của sóng mang trực giao

Hình 2.3.

Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con

Hình 2.1

Bộ S/P và P/S

Hình 2.2

Bộ Mapper và Demapper

Hình 2.3

Bit và Symbol

Hình2.8

Giản đồ chòm sao 2-PSK và 16-PSK

Hình 2.9

Sơ đồ điều chế và giải điều chế DBPSK

Hình 2.4

Giản đồ chồm sao QAM

Hình 2.5

Bộ IFFT và FFT

Hình 2.12

Tạo tín hiệu OFDM giai đoạn IFFT

Hình 2-13

Điều chế tần số vơ tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ

Hình 2-14

Điều chế tần số vơ tuyến tín hiệu OFDM băng cơ sở sử dụng kỹ

Hình 2.15

Bộ Guard Interval Insertion và Guard Interval Removal

Hình 2.16

Đáp ứng xung của kênh truyền frequency selective fading

Hình2.17

Tín hiệu được chèn khoảng bảo vệ

Hình 2.18. Hiệu quả loại bỏ ISI của dải bảo vệ
Hình 2.19

Dạng sóng trong miền thêi gian của sóng mang con

Hình 2.20. Phổ của tín hiệu OFDM với 52 sóng mang con
Hình 2.21. Phổ của tín hiệu OFDM với 1536 sóng mang con
Hình 2.22. Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM khơng qua bộ lọc

6


Hình 2.23
dài
Hình 2.24

Đáp ứng tần số của tín hiệu OFDM sử dụng bộ lọc FIR với chiều

Hình 3.1.

Tốc độ cao nhất có thể đạt được giữa các dịch vụ cung cấp

Hình 3.2.

Kết nối Internet với PC

Hình 3.3.

Kết nối Internet với PC trên đường dây điện thoại

Hình 3.4

Thoại cơ bản sử dụng dải tần số từ 300Hz tới 3,400Hz.

Hình 3.5

Các thành phần của ADSL

Hình 3.6.

Các thành phần cơ bản của Service provider

Hình 3.7

Vị trí DSLAM

Hình 3.8

Vị trí của BAS

Hình 3.9

Các giao thức giữa Modem và BAS

Hình 3.10

Vai trò của ATM

Hình 3.11

Vị trí giao thức PPP

Hình 3.12

Sơ đồ Các loại modem ADSL thông minh và thụ động

Hình 3.13

Mối tương quan giữa thoại và ADSL

Hình 3.14

Thiết bị chuyên dụng Splitters

Hình 3.15

Biểu đồ pha QAM

Hình 3.16

Quá trình xử lý QAM ở đầu phát

Cấu trúc khung của symbol sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng

7


Hình 3.17

Thu phát tín hiệu theo phương pháp điều chế CAP

Hình 3.18

ADSL sử dụng và không sử dụng kỹ thuật xóa tiếng vọng

Hình 3.19

Cấu trúc siêu khung ADSL

Hình 3.20

Cấu trúc bit mào đầu ở byte dữ liệu nhanh

Hình 4.1
Hình 4.2

Sơ đồ xử lý tín hiệu phía phát tín hiệu OFDM trên đường dây
Sơ đồ xử lý tín hiệu phía thu tín hiệu OFDM trên đường dây

ADSL
Hình 4.3
trộn
Hình 4.4
xáo
Hình 4.5

Kết quả tính tỷ lệ lỗi bit trong hai trường hợp có và không xáo
Kết quả tính tỷ lệ lỗi khung trong hai trường hợp có và không
Sơ đồ tổng quát quá trình mô phỏng

8


MỤC LỤC NỘI DUNG

MỞ ĐẦU .................................................................................................... 12
Chương I. TỔNG QUAN VỀ OFDM ..................................................... 14
1.1 Giới thiệu về OFDM............................................................................ 14
1.2. OFDM ứng dụng phép biến đổi Fourier ......................................... 15
1.3. Kỹ thuật OFDM kết hợp kết hợp với các phương pháp mã hóa và
xáo trộn....................................................................................................... 17
Chương 2: NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM ................................. 19
2.1

Trực giao trong OFDM ................................................................... 20

2.2. Thu phát tín hiệu OFDM................................................................... 25
2.2.1 Chuyển đổi nối tiếp song song (Serial to Parallel) ........................ 26

2.2.2

Điều chế sóng mang phụ .............................................................. 28

2.2.3

Chuyển đổi từ miền tần số sang miền thời gian ........................ 32

2.2.4 Điều chế tần số vô tuyến (RF Modulation) .................................... 33
2.3

Khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) .............................................. 35

2.3.1 Chống lỗi do dịch thời gian ............................................................. 39
2.3.2 Chống nhiễu giữa các symbol (ISI) ................................................ 40
2.3.3 Mào đầu và phân cách sóng mang : ............................................... 43
2.4 Hạn dải và tạo cửa sổ cho tín hiệu OFDM....................................... 43
2.4.1 Lọc thông dải .................................................................................... 45
2.4.2 Sử dụng dải bảo vệ dạng cos nâng .................................................. 47
Chương III: TỔNG QUAN VỀ ADSL ................................................... 48
3.1. Giới thiệu tổng quan kỹ thuật xDSL ................................................ 48
3.2. ADSL là gì ? ........................................................................................ 51
3.3. ADSL có nghĩa như thế nào? ............................................................ 52
3.4. ỨNG DỤNG CỦA ADSL .................................................................. 53
3.5. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG .................................................................... 54

9


3.6. ƯU ĐIỂM CỦA ADSL ...................................................................... 55

3.7. CÁC THÀNH PHẦN CỦA ADSL.................................................... 57
3.7.1.Giới thiệu........................................................................................... 57
3.7.2. Modem ADSL là gì? ........................................................................ 57
3.7.3. Mạch vòng / Local Loop là gì ? ...................................................... 59
3.8 CÁC THÀNH PHẦN ADSL TỪ PHÍA NHÀ CUNG CẤP DỊCH
VỤ ............................................................................................................... 59
3.8.1. DSLAM là gì? .................................................................................. 60
3.8.2.Vậy BAS là gì? .................................................................................. 60
3.9. KẾT NỐI MẠNG ............................................................................... 61
3.9.1. Các thành phần kết nối như thế nào? ........................................... 61
3.9.2.Các giao thức được sử dụng giữa Modem và BAS ....................... 61
3.9.3. Vai trò của ATM ............................................................................. 62
3.10. CẤU TRÚC CỦA ADSL ................................................................. 63
3.11. MODEM ADSL TRÊN THỰC TẾ ................................................ 64
3.12. MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA THOẠI VÀ ADSL .......................... 65
3.12.1. Thoại và ADSL cùng chung sống ra sao? ................................... 65
3.12.2. Tốc độ đa dạng .............................................................................. 66
3.13. Các phương pháp điều chế .............................................................. 67
3.14. Ghép kênh ......................................................................................... 73
Chương IV: MÔ PHỎNG ........................................................................ 87
4.1. Sơ đồ xử lý tín hiệu phía phát tín hiệu OFDM -ADSL .................. 88
4.2. Sơ đồ xử lý tín hiệu phía thu tín hiệu OFDM - ADSL ................... 89
4.3. Kết quả mô phỏng. ............................................................................. 89
4.3.1. Kết quả tính tỷ lệ lỗi bit trong hai trường hợp không xáo trộn và
không xáo trộn (Interleaver) ...................................................................... 89

10


4.3.2. Kết quả tính tỷ lệ lỗi khung trong hai trường hợp không xáo trộn

và không xáo trộn ...................................................................................... 90
4.4. Sơ đồ tổng quát quá trình mô phỏng. .............................................. 91
Kết luận và hướng phát triển đề tài ......................................................... 91
Kết luận ................................................................................................... 91
Hướng phát triển đề tài............................................................................ 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................... 93

11


MỞ ĐẦU

***
Trong những năm gần đây, các dịch vụ viễn thông phát triển hết sức
nhanh chóng đã tạo ra nhu cầu to lớn cho các hệ thống truyền dẫn thông tin.
Mặc dù các yêu cầu kỹ thuật cho các dịch vụ này là rất cao song cần có các
giải pháp thích hợp để thực hiện. Orthogonal Frequency Division
Multiplexing (OFDM) là một phương pháp điều chế cho phép truyền dữ liệu
tốc độ cao trong các kênh truyền chất lượng thấp. OFDM đã được sử dụng
trong phát thanh truyền hình số, đường dây thuê bao số không đối xứng,
mạng cục bộ không dây. Với các ưu điểm của mình, OFDM đang tiếp tục
được nghiên cứu và ứng dụng trong các lĩnh vực khác như truyền thông qua
đường dây tải điện, thông tin di động, Wireless ATM ... OFDM là nằm trong
lớp các kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Kỹ thuật này phân chia dải tần cho
phép thành rất nhiều dải tần con với các sóng mang khác nhau, mỗi sóng
mang này được điều chế để truyền một dòng dữ liệu tốc độ thấp. Tập hợp của
các dòng dữ liệu tốc độ thấp này chính là dòng dữ liệu tốc độ cao cần truyền
tải. Các sóng mang trong kỹ thuật điều chế đa sóng mang là họ sóng mang
trực giao. Điều này cho phép ghép chồng phổ giữa các sóng mang do đó sử
dụng dải thông một cách có hiệu quả. Ngoài ra sử dụng họ sóng mang trực

giao còn mang lại nhiều lợi thế kỹ thuật khác, do đó các hệ thống điều chế đa
sóng mang đều sử dụng họ sóng mang trực giao và được gọi chung là ghép
kênh theo tần số trực giao OFDM. Kỹ thuật OFDM lần đầu tiên được giới
thiệu trong bài báo của R.W.Chang năm 1966 về vấn đề tổng hợp các tín hiệu
có dải tần hạn chế khi thực hiện truyền tín hiệu qua nhiều kênh con. Năm
1971 Weistein và Ebert sử dụng biến đổi FFT và đưa ra Guard Interval cho kỹ
thuật này. Tuy nhiên, cho tới gần đây, kỹ thuật OFDM mới được ứng dụng
trong thực tế nhê có những tiến bộ vượt bậc trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số và

12


kỹ thuật vi xử lý. ở Việt Nam hiện nay đang triển khai một số ứng dụng sử
dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM như truyền hình số DVB-T,
đường dây thuê bao không đối xứng ADSL và truyền thông qua đường dây tải
điện PLC ... Song song với việc triển khai các ứng dụng trên, cần có những
nghiên cứu về kỹ thuật điều chế OFDM. Nội dung của đồ án đề cập tới các
vấn đề:
- Tổng quan về các kỹ thuật điều chế trong truyền dẫn tín hiệu số.
- Nguyên lý cơ bản của điều chế đa sóng mang OFDM.
- Các kỹ thuật của OFDM như đồng bộ, cân bằng, khử tiếng vọng và
mã hóa.
- Các ứng dụng của OFDM trong thông tin vô tuyến và hữu tuyến. Điều
chế đa sóng mang là một kỹ thuật tương đối mới mẻ và phức tạp. Với
thời gian và kiến thức còn hạn hẹp nên chắc chắn đồ án này còn nhiều
thiếu sót, vì vậy em mong muốn nhận được sự đóng góp của các thầy
cô và bạn bè đồng nghiệp. Nhân đây em xin chân thành cảm ơn PGS
TS Đào Ngọc Chiến đã tận tình giúp đỡ chỉ bảo trong suốt quá trình
thực hiện luận văn này.

13


Chương I. TỔNG QUAN VỀ OFDM
1.1 Giới thiệu về OFDM
Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM (Frequency Division
Multiplexing) đã được sử dụng từ hơn một thế kỷ nay để truyền nhiều tín
hiệu tốc độ chậm, ví dụ như điện báo, qua một kênh có băng thông rộng
bằng cách sử dụng các sóng mang có tần số khác nhau cho mỗi tín hiệu.
Để phía thu có thể tách được các tín hiệu bằng cách sử dụng các bộ lọc thì
phải có khoảng cách giữa phổ của các sóng mang. Phổ của các tín hiệu
không sát nhau gây nên lãng phí băng thông và do đó hiệu suất sử dụng
băng thông của FDM là khá thấp. Điều chế đa sóng mang tương tự như
FDM, song thay vì truyền các bản tin riêng rẽ, các sóng mang sẽ được điều
chế bởi các bit khác nhau của một bản tin tốc độ cao. Bản tin này có thể ở
dạng song song hoặc nối tiếp sau đó được chuyển đổi nối tiếp - song song
để truyền đi trên các sóng mang. Có thể so sánh điều chế đa sóng mang
với điều chế đơn sóng mang sử dung cùng một kênh như sau: Điều chế đa
sóng mang nếu sử dụng nhiều bộ thu phát thì sẽ phức tạp và giá thành cao.
Mỗi sóng mang sẽ truyền một bản tin con, tổng của các bản tin con này
cho bản tin cần truyền đi có tốc độ nhá hơn bản tin được truyền bởi một
sóng mang duy nhất cùng sử dụng kênh đó bởi vì hệ thống đa sóng mang
cần các khoảng bảo vệ để tránh nhiễu giữa các sóng mang con. Mặt khác
hệ thống đơn sóng mang dễ bị giao thoa giữa các ký hiệu inter-symbol
interference (nhiễu ISI) bởi vì khoảng thời gian của các symbol là ngắn và
méo lớn sinh ra trên băng tần rộng, so với khoảng thời gian dài của symbol
và băng tần hẹp của hệ thống đa sóng mang. Trước khi phát triển kỹ thuật
cân bằng, điều chế đa sóng mang được sử dụng để truyền dẫn tốc độ cao
mặc dù giá thành cao và hiệu suất sử dụng băng thông thấp. Giải pháp đầu
tiên cho vấn đề hiệu suất sử dụng băng thông của điều chế đa tần có lẽ là

14


hệ thống “Kinepiex”. Hệ thống Kinepiex được phát triển bởi Collins Radio
để truyền dữ liệu trên kênh vô tuyến cao tần (HF) nhằm chống lại nhiễu
nhiều đường multi-path. Trong hệ thống này, cứ 20 tones được điều chế 4PSK vi sai vào một sóng mang. Phổ của các sóng mang này có dạng
sin(kf)/f và do đó có thể ghép chồng phổ. Giống như OFDM hiện nay, các
tones được để cách nhau tại những khoảng tần số gần như bằng với tốc độ
tín hiệu và có khả năng phân tách ra ở máy thu. Hệ thống đa sóng mang
này được gọi tên là Multi-tone. Hệ thống multi-tone tiếp theo sử dụng điều
chế 9-QAM cho mỗi sóng mang và phát hiện tương quan ở phía thu.
Khoảng các giữa các sóng mang bằng với tốc độ symbol cho hiệu suất sử
dụng dải thông tối ưu. Hệ thống này còn sử dụng phương pháp mã hoá đơn
giản trong miền tần số.

Hình 1.1: Hệ Thống OFDM ban đầu
1.2. OFDM ứng dụng phép biến đổi Fourier
Đóng góp cơ bản cho sự phát triển của OFDM đó là việc ứng dụng biến
đổi Fourier (FT) vào điều chế và giải điều chế tín hiệu. Kỹ thuật này phân
chia tín hiệu ra thành từng khối N số phức. Sử dụng biến đổi Fourier
ngược IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) cho mỗi khối và truyền nối
tiếp. Tại phía thu, bản tin gửi đi được phục hồi lại nhờ biến đổi Fourier

15


FFT (Fast Fourier Transform) các khối tín hiệu lấy mẫu thu được. Phương
pháp điều chế OFDM này được đề cập đến với cái tên Điều chế đa tần rời
rạc DMT (Discrete Multi-Tone). Phổ của tín hiệu DMT trên đường truyền

giống hệt phổ của N tín hiệu điều chế QAM với khoảng cách của N tần số
sóng mang bằng tốc độ tín hiệu như đã đề cập ở trên. Trong đó mỗi sóng
mang được điều chế QAM với một số phức. Phổ của mỗi tín hiệu QAM có
dạng sin(kf)/f như của hệ thống OFDM ban đầu.

Hình 1.2: Hệ thống OFDM sử dụng FFT

Hình 1.3: Chồng phổ trong OFDM
Tuy nhiên biến đổi IDFT với N số phức sẽ cho giá trị phức có cả phần
thực và phần ảo. Mà khi truyền ta chỉ truyền phần thực. Điều này có thể
thực hiện bằng cách thêm N số phức liên hợp vào khối N số phức ban đầu.
Biến đổi IDFT cho khối 2N số phức liên hợp sẽ cho 2N số thực để truyền

16


đi đại diện cho mỗi khối, chúng tương đương với N số phức. Ưu điểm nổi
bật nhất của điều chế đa tần rời rạc là tính hiệu quả của biến đổi Fourier
nhanh FFT. Một phép biến đổi FFT cho N điểm chỉ cần Nlog2N phép
nhân so với N2 phép nhân trong biến đổi Fourier thông thường. Hiệu quả
của biến đổi FFT đặc biệt tốt khi N là luỹ thừa của 2, tuy nhiên điều này
không phải là bắt buộc. Bởi vì sử dụng biến đổi FFT nên hệ thống DMT
yêu cầu ít phép tính trên một đơn vị thời gian hơn hệ thống điều chế đơn
sóng mang tương đương có sử dụng bộ cân bằng. Trong một thời gian dài,
kỹ thuật OFDM và đặc biệt DMT đã được nghiên cứu đưa vào nhiều ứng
dụng. Một vài modem OFDM âm tần đã được chế tạo. Nhưng chúng
không thành công trong việc thương mại hóa sản phẩm chúng chưa được
tiêu chuẩn hóa. DMT đã được chấp nhận là chuẩn cho truyền số liệu qua
đường dây thuê bao số bất đối xứng ADSL (Asymmetric Digital
Subscriber Line). Kỹ thuật này cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao (hàng

Mbps) từ bưu điện tới thuê bao qua đôi cáp đồng thông thường. Kỹ thuật
OFDM đặc biệt thành công trong các ứng dụng vô tuyến, nơi mà OFDM
thể hiện được nhiều nhất các ưu điểm của mình. Đó là tính chống lại ảnh
hưởng của nhiễu do phản xạ nhiều đường Multipath, chống lại pha đinh
lựa chọn tần số SF (selective fading).
1.3. Kỹ thuật OFDM kết hợp kết hợp với các phương pháp mã hóa và
xáo trộn
Kỹ thuật điều chế OFDM kết hợp với các phương pháp mã hóa và xáo trộn
(interleaving) thích hợp cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh vô
tuyến với độ tin cậy cao.

17


Hình 1.4. Hệ thống OFDM dùng trong các ứng dụng vô tuyến
Kỹ thuật OFDM cho phép thiết lập mạng đơn tần SFN (Single
Frequency Network) dùng trong phát thanh và truyền hình số. Trong mạng
đơn tần nhiều trạm phát khác nhau sẽ phát cùng một tín hiệu một cách
đồng bộ để phủ sóng một vùng rộng lớn trên cùng một tần số. ở phía thu
tín hiệu nhận được từ nhiều trạm phát tương đương với nhiễu do phản xạ
nhiều đường và không gây ảnh hưởng tới hệ thống sử dụng kỹ thuật
OFDM. Một ứng dụng khác của OFDM là truyền dữ liệu tốc độ cao trong
mạng LAN không dây (Wireless LAN). Trong wireless LAN trễ truyền
dẫn là nhỏ nhưng với tốc độ cao tới hàng chục Mbps thì khoảng thời gian
trễ là lớn so với chu kỳ symbol. Trong trường hợp này, kỹ thuật điều chế
đa sóng mang OFDM được sử dụng. Hy vọng kỹ thuật OFDM sẽ còn được
nghiên cứu và áp dụng trong nhiều ứng dụng khác trong thời gian tiếp
theo.

18

Chương 2: NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA OFDM
OFDM bắt nguồn từ kỹ thuật phân kênh theo tần số (FDM), một kỹ
thuật đã được biết tới và sử dụng rộng rãi. FDM cho phép nhiều bản tin
được truyền đi trên một kênh truyền vô tuyến. Do vậy FDM được xếp vào
phương thức truyền dẫn đơn sóng mang. Một ví dụ đơn giản của FDM là
việc sử dụng tần số khác nhau cho các trạm vô tuyến biến điệu tần số. Tất
cả các trạm phát đồng thời nhưng không gây nhiễu lẫn nhau do các trạm
này phát đi các sóng mang có tần số khác nhau. Dải thông các tín hiệu này
được đặt cách nhau một khoảng tần số sao cho tại phía thu bộ lọc thông
dải phân biệt được tín hiệu cần thu, lọc bá tín hiệu của các sóng mang
khác. Điều này có nghĩa là giữa các sóng mang có một khoảng tần số
không được sử dụng để truyền tin tức. Sau khi qua bộ lọc, tín hiệu thu
được sẽ được giải điều chế để nhận được tin tức cần thu. Như vậy có thể
thấy không có sự chồng phổ của các tín hiệu trong miền tần số. Khác với
FDM, trong kỹ thuật OFDM một bản tin được truyền đi trên một số Nn
sóng mang con (Nn có thể điều chỉnh được tuỳ theo độ lớn của bản tin),
thay vì một sóng mang duy nhất như kỹ thuật FDM. Khái niệm sóng mang
con hoàn toàn giống với khái niệm sóng mang mà ta đã đề cập, điểm khác
biệt duy nhất là các sóng mang con này có dải thông nhỏ hơn nhiều so với
các sóng mang sử dụng trong FDM. Nn sóng mang con này tạo thành một
nhóm, ta tạm gọi là tín hiệu OFDM. Dải phổ của toàn hệ thống sẽ bao gồm
rất nhiều các nhóm như vậy, số sóng mang con trong mỗi nhóm có thể tuỳ
biến. Các sóng mang con trong một nhóm được đồng bộ cả về thời gian và
tần số, làm cho việc kiểm soát nhiễu giữa chúng được thực hiện rất chặt
chẽ. Các sóng mang con này có phổ chồng lấn lên nhau trong miền tần số
mà không gây ra ICI do tính trực giao giữa chúng được bảo đảm. Việc
chồng phổ này làm tăng đáng kể hiệu quả sử dụng dải tần. Trong kỹ thuật

19


FDM, không có sự đồng bộ giữa các sóng mang với nhau nên các sóng
mang có thể được điều chế theo cả 2 phương thức: Tương tự và số. Trong
OFDM, các sóng mang con được đồng bộ với nhau nên chỉ sử dụng
phương thức điều chế số. Một ký tự (symbol) OFDM được hiểu là một
nhóm các bit được truyền một cách song song. Trong miền tần số, các
symbol này tồn tại dưới dạng các khối phổ riêng rẽ. Trong từng khối có sự
chồng phổ giữa các sóng mang và tính trực giao trong từng khối luôn luôn
được đảm bảo.
2.1 Trực giao trong OFDM
Tín hiệu được gọi là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau.
Trực giao là một đặc tính cho phép nhiều tín hiệu mang tin được truyền đi
trên kênh truyền thông thường mà không có nhiễu giữa chúng. Mất tính
trực giao giữa các tín hiệu sẽ gây ra sự rối loạn giữa các tín hiệu, làm giảm
chất lượng thông tin. Có rất nhiều kỹ thuật phân kênh liên quan đến vấn đề
trực giao. Kỹ thuật phân kênh theo thời gian (TDM) truyền một lúc nhiều
bản tin trên một kênh bằng cách cấp cho mỗi bản tin một khe thời gian.
Trong suốt thời gian truyền một khe thêi gian, chỉ có một bản tin duy nhất
được truyền. Bằng cách truyền không đồng thời các bản tin như vậy ta đã
tránh được nhiễu giữa chúng. Các bản tin có thể được xem như là đã trực
giao với nhau, trực giao về mặt thời gian. Kỹ thuật FDM đạt tới sự trực
giao giữa các tín hiệu trong miền tần số bằng cách cấp cho mỗi tín hiệu
một tần số khác nhau và có một khoảng trống tần số giữa dải thông của 2
tín hiệu. OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một
tập các sóng mang trực giao.Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng
một số nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol. Như vậy, trong
thời gian tồn tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ
khác nhau. Như vậy mỗi sóng mang con sẽ có một tần số khác nhau, mặc

20


dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau nhưng chúng vẫn không gây nhiễu
cho nhau Hình sau sẽ cho thấy cấu trúc của một tín hiệu OFDM với 4
sóng mang con.

Hình 2.1. Cấu trúc trong miền thời gian của một tín hiệu OFDM
Trong đó, hình (1a), (2a), (3a) và (4a) là các sóng mang con thành phần,
với số chu kỳ tương ứng là 1, 2, 3, và 4. Pha ban đầu các sóng mang con
này đều bằng 0. Hình (1b), (2b), (3b), (4b) tương ứng là FFT của các sóng
mang con trong miền thêi gian. Hình (4a) và (4b) cuối cùng là tổng của 4
sóng mang con và kết quả FFT của nó. Về mặt toán học, các sóng mang
con trong một nhóm gọi là trực giao với nhau nếu chúng thoả mãn :

21


Công thức trên được hiểu là tích phân lấy trong chu kỳ một symbol của 2
sóng mang con khác nhau thì bằng 0. Điều này có nghĩa là ở máy thu các
sóng mang con không gây nhiễu lên nhau. Nếu các sóng mang con này có
dạng hình sin thì biểu thức toán học của nó sẽ có dạng

f 0 chính là khoảng cách tần số giữa các sóng mang con N số sóng mang
con trong một symbol T thời gian tồn tại của symbol Nf 0 sẽ là sóng mang
con có tần số lớn nhất trong một symbol
Dạng phổ của các sóng mang con dạng sin này sau khi được điều chế sẽ
giống như hình sau. Lưu ý rằng nếu các sóng mang con trên chưa được
điều chế thì dạng phổ của chúng chỉ bao gồm thành phần phổ tại tần số

trung tâm.

Hình 2.2: Phổ của sóng mang trực giao

22


Ta có thể nhận thấy rằng phổ của các sóng mang con tại tần số trung tâm
của sóng mang con khác thì bằng 0. Trong kỹ thuật điện tử, tín hiệu truyền
đi được biểu diễn bởi một dạng sóng điện áp hoặc dòng điện theo thời
gian, ta gọi chung là sóng mang. Sóng mang này thường có dạng hình sin.
Sau khi được điều chế tin tức, trong sóng mang không chỉ tồn tại duy nhất
một tần số mà là một tổ hợp gồm: tần số trung tâm của sóng mang và các
hài. Mức tương đối của một tần số khi so sánh với một tần số khác được
cho bởi phổ điện áp hoặc dòng điện. Phổ này có được bằng phép biến đổi
Fourier dạng sóng mang trong miền thời gian. Về mặt lý thuyết, để đạt
được giá trị phổ chính xác thì phải quan sát dạng sóng mang trên toàn bộ
miền thêi gian (-∞ đến ∞), tức là phải thực hiện phép biến đổi Fourier trên
toàn bộ miền thời gian, tại vô hạn điểm. Không một hệ thống kỹ thuật nào
có thể làm được điều này. Thực tế cho thấy chỉ cần thực hiện phép biến
đổi Fourier tại một số hữu hạn điểm là có thể khôi phục được dạng sóng
mang mà không làm mất đi bản chất của tin tức. Phép biến đổi Fourier tại
một số hữu hạn điểm được gọi là phép biến đổi Fourier rời rạc (DFTDiscrete Fourier Transform). Quá trình khôi phục dạng sóng mang từ phổ
của nó được gọi là phép biến đổi Fourier ngược. Như đã trình bày ở trên,
tín hiệu OFDM gồm một nhóm các sóng mang con dạng hình sin trong
miền thời gian. Trong miền tần số các sóng mang con này có dạng sinc
(sin cardinal), hay sin(x)/x. Dạng sinc có một búp chính và các búp phụ có
giá trị giảm dần về 2 phía tần số trung tâm của sóng mang con. Mỗi sóng
mang con có một giá trị đỉnh tại tần số trung tâm và bằng 0 cứ sau mỗi
khoảng tần số bằng khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (f0). Tính

trực giao giữa các sóng mang thể hiện ở chỗ, tại đỉnh của một sóng mang
con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0. ở phía thu, khi
dùng DFT để tách sóng tín hiệu OFDM thì phổ của nó không còn là liên

23


tục mà là các mẫu rời rạc. Các mẫu đó được biểu diễn bởi các khuyên tròn
(o) trên hình vẽ. Nếu DFT được đồng bộ thời gian thì tần số mẫu của DFT
sẽ tương ứng với đỉnh của các sóng mang con. Và như vậy thì sự chồng
phổ của các sóng mang con không ảnh hưởng đến máy thu. Giá trị đỉnh
của một sóng mang con tương ứng với giá trị 0 của các sóng mang con
khác, tính trực giao giữa các sóng mang được bảo đảm

Hình 2.3. Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con
Trong đó (a) là phổ của từng sóng mang con và điểm lấy mẫu tại máy thu,
(b) là đáp ứng tổng hợp của 5 sóng mang con.

24